搜索基于ANSYS/LS-DYNA的空拔鋼管有限元分析
2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
1 分析模型的建立
1.1 基本原理
空拔鋼管是一個既有接觸非線性,又有幾何非線性和邊界非線性的多重非線性相互耦合問題,鋼管和模具的幾何模型如圖1所示,其變形區分為減徑區和定徑區兩部分,在拔制力的作用下鋼管和模具接觸,鋼管在軸向伸長的同時產生徑向收縮,進入定徑區后鋼管產生彈性恢復。
圖1鋼管和模具的幾何模型
式中 [M]——整體質量矩陣;
[C]——整體阻尼矩陣;
{P}——外力節點力矩陣;
{F}——由內應力計算的整體節點力矩陣;
——為整體節點加速度矩陣;
——整體節點速度矩陣。
式(1)通常有隱式和顯式兩種解法,本文采用了ANSYS軟件的LS-DYNA模塊所提供的顯式解法[5]。
1.2 空拔鋼管有限元模型的建立
鋼管和模具幾何上是繞同一軸線的回轉體,利用ANSYS前處理器很容易建立起鋼管和模具的三維實體模型。選用具有顯式分析功能的SOLID164單元對實體模型劃分網格,為得到較為規則的網格分布,本文采用了映射分網技術(Mapped mesh),分網后鋼管和模具的有限元模型如圖2所示。
圖2 鋼管和模具的有限元模型(Mapped mesh)
單元屬性的定義包括單元類型(TYPE)、實常數(REAL)和材料模型(MAT),在網格劃分前分別定義了模具和鋼管的單元屬性,這樣模具和鋼管就可以分別用PART1和PART2標識以進行接觸分析,接觸邊界通過設置接觸類型和摩擦系數靠PART1、PART2自動識別。
為了加快計算速度,模具按照剛體處理,鋼管材料根據試驗得到的應力應變曲線用多線性隨動強化模型來近似,如圖3所示。
圖3鋼管材料模型(多線性隨動強化)
1.3 邊界條件和載荷的定義
鋼管與模具的接觸類型設置為面面接觸(ASTS),用EDMP命令限制模具的平移和轉動。選取鋼管上所有節點,將其建立為component塊,在其上施加初速度。為了達到計算的收斂性,加載方式選擇為在鋼管端面上施加一段位移來代替實際的拉拔力,該位移在保證鋼管被穩定地拉出一部分的前提下,數值不宜過大,這樣可以縮短計算時間。通過位移與時間的匹配來實現拉拔速度的設定:首先將時間和位移設為數組形式,然后用EDLOAD命令來定義對應時間上的位移數值。
2 建模與分析示例
取一段材料為20B的鋼管,拔前入口直徑為51mm,壁厚為3.39mm;模孔直徑為42mm,摩擦系數為0.25,錐角為13°,利用ANSYS/LS-DYNA軟件進行模擬。
2.1鋼管的變形過程分析
圖4 鋼管在拔制過程中軸向變形分布
圖5 空拔鋼管的縮徑現象
圖4為鋼管在拔制過程中軸向變形分布,能夠看出,鋼管軸向變形的分布規律為:從左端(拔制力作用端)到定徑帶變形量從絕對值來看是均勻減小,從定徑帶到入口變形量基本不變,但仍小于定徑帶處的變形量。在圖4中最大軸向變形發生在拔制力作用的左端,其數值為-32.518mm(“-”表示方向向左),最小軸向變形發生在鋼管的入口區,其數值為-25.538mm。圖5為軸截面上的模型剖視圖(在定徑帶部位放大),從圖中可以看到成型后的鋼管直徑比定徑帶尺寸略小(定徑帶直徑與拔后鋼管直徑相差1.4828mm),從理論上驗證了實際生產中的空拔鋼管縮徑現象。
2.2 鋼管應力分布
圖6鋼管軸向應力分布
在空拔鋼管過程中由于鋼管內表面沒有約束作用,處于自由狀態,而鋼管的外表面則與模具相接觸,它承受了比內表面更高的縱向流動阻力,導致鋼管斷面上金屬縱向流動不均勻[6]。從圖6可見,拔制方向的軸向應力沿著鋼管壁厚呈現不均勻分布狀態,外表面為強拉應力區,內表面為強壓應力區,最大拉應力出現在鋼管的外表面,最大壓應力區出現在鋼管的內表面。當最大拉應力超過臨界值時,鋼管的外表面材料將發生破壞,這是實際生產中鋼管橫向裂紋主要產生于外表面的原因。
2.3 拔制過程中拔制力的變化情況
圖7拔制力的變化情況
通過計算可得,拔制力隨拔制過程的變化如圖7所示,我們將其分為三個階段:
起始階段 隨著鋼管逐漸與模具發生接觸,拔制力逐漸增大,對應圖7中曲線開始時的拔制力(絕對值)隨時間快速增大的區段;
流動階段 在鋼管與模具基本上完全接觸后,金屬進入一種非穩態的流動階段,此時由于金屬流動,拔制力迅速減小,同時由于流動方向的不確定性拔制力快速變化,對應圖7中曲線的抖動區段;
穩定階段 隨著拔制過程的深入,金屬的流動漸趨穩定,拔制力不再發生變化,對應圖7中曲線的平直區段。
3 工藝參數對拔制力的影響分析
3.1 模錐角對拔制力的影響
圖8 拔制力隨模錐角的變化
模錐角α對拔制力的影響與兩個作用相反的因素有關,第一個因素為:α增加,變形區長度減小,摩擦面減小,導致正壓力及相應的摩擦力減小,拔制力降低;第二個因素為:α增加,正壓力水平方向分力增加,同時拔制時在入口處鋼管附加彎曲變形的程度加大,導致拔制力增加。當α比較小時,第一因素所起的作用是主要的,α增大到一定之后,第二因素起主要作用,試驗表明,存在一個最佳角度范圍,這時拔制力最小[7]。本文的模擬結果也證明了這一規律,圖8則是在計算了不同模錐角α與拔制力關系的基礎上描繪的曲線,可以看到,模錐角在14°時拔制力是最小的。該結論為模具結構參數設計提供了依據。
3.2 摩擦系數對拔制力的影響
圖9為摩擦系數與拔制力之間的關系,隨著摩擦系數的增加,拔制力線性增大,因此在實際生產過程中有必要通過提高模具內錐面的加工質量、采取可靠的潤滑等措施,來減小摩擦系數,以降低拔制力。
圖9拔制力隨摩擦系數的變化
隨著壁厚的增加,拔制力線性增大,這可為冷拔設備功率的計算提供較為可靠的依據。
4 結論
本文應用ANSYS軟件的LS-DYNA模塊建立了三維空拔鋼管有限元模型,動態模擬了鋼管空拔過程,得到了各種場量的分布,分析了生產中常見問題的成因,如橫裂及空拔后鋼管出口直徑略小于模孔直徑的機理,研究了模錐角、摩擦系數和壁厚等工藝參數對拔制力的影響。為模具結構設計、生產線功率計算提供了較為可靠的理論依據。
相關標簽搜索：基于ANSYS/LS-DYNA的空拔鋼管有限元分析 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓 Autoform培訓 有限元培訓 Solidworks培訓 UG模具培訓 PROE培訓 運動仿真
